3. Horowits P., Hill W. The art of electronics. — N. Y.: Cambridge press, 1993.
4. Пат. 2012006 РФ / Воробьев М. Д. и др. // Изобретения.
— 1994. — № 8.
5. Горюнов Н. Н., Лукашев Н. В. // Шумовые и деградаци-онные процессы в полупроводниковых приборах: Матер. науч.-техн. семинара. — М., 1997. — С. 111.
6. А. с. 291172 СССР / В. А. Маркин // Бюл. изобрет. — 1971.
— № 3.
7. А. с. 421942 СССР / С. О. Острова, В. Р. Асадуллина // Бюл. изобрет. — 1974. — № 12.
8. Рождественский О. Л. // Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах: Матер. науч.-техн. семинара. — М., 1997. — С. 234.
9. Кострюков С. А. // Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах: Матер. науч.-техн. семинара. — М., 2004. — С. 106.
Дата одобрения 16.03.2006 г.
АКУСТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
534.612.081
Совершенствование эталона единицы звукового
давления в водной среде
С. М. ЛИХАЧЕВ, А. Н. ГОЛЕНКОВ
Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений, office@vniiftri.org, ssil@vniiftri.ru
Приведены основные исторические сведения о времени и месте создания эталонов звукового давления в водной среде. Показано развитие технических и метрологических характеристик эталона. Обсуждаются результаты сличений государственных эталонов звукового давления с национальными эталонами ведущих стран мира.
Ключевые слова: государственный эталон, звуковое давление, сличение эталонов, международные ключевые сличения, неопределенность измерений.
The foundation historical dates about the time and site of the creation the standards of the sound pressure in the water medium are shown. The development of the technically and metrological dates this standard is offered. The results of the corporations calibration of states standards for sound pressure with the national standards leading countries of the world are discussed.
Key words: national standard, sound pressure, comparison standards, international key comparison, uncertainty of measurement.
Начало формирования метрологического обеспечения измерений звукового давления в водной среде можно отнести к началу 40-х годов XX века. В это время ведущее место в стране занимала акустическая лаборатория ВНИИМ, где были созданы первые измерительные комплексы, предназначенные для градуировки гидрофонов. Но уже к середине 60-х годов центр гидроакустических измерений переместился во ВНИИФТРИ.
В период 1965—1968 гг. лаборатория гидроакустических измерений ВНИИФТРИ достигла значительных успехов в разработке оригинальных методов измерений, получивших международное признание [1, 2] и приняла участие в первых сличениях результатов градуировки японского гидрофона типа НР2 [3, 4]. Логическим завершением этой работы явилось создание первого эталонного комплекса измерений звукового давления в водной среде на основе двух государственных специальных эталонов ГЭТ 55—74 и ГЭТ 103—76 [5, 6],
которые обеспечивали единство измерений звукового давления в стране в основном частотном диапазоне гидроакустических измерений.
Применение в эталонных измерительных установках независимых методов измерений, рекомендованных МЭК [1, 2], позволило проводить сличения результатов градуировки специально отобранных гидрофонов в общем частотном диапазоне. За все время работы эталонов расхождение в результатах измерений практически не носило систематического характера и не выходило за пределы расчетного значения погрешностей воспроизведения (передачи) размера единицы звукового давления [7].
В XX веке неоднократно проводились сличения эталонов ГЭТ 55—74 и ГЭТ103—77 с государственными эталонами единицы звукового давления в воздушной среде ГЭТ 19—71 [5, 8], переменного ГЭТ 131—81 ВНИИМ и периодического давлений ГЭТ 140—84 УНИИМ, а также с установ-
Т а б л и ц а 1
Метрологические характеристики сличаемых эталонов
Сличаемый эталон Рабочий диапазон частот, Гц Диапазон воспроизводимого давления, Па Диапазон гидростатического давления, Па НСП, % СКО, % в, дБ
ГЭТ 55—74 1—2 • 105 5-100 нет 5,9—7,2 1,2—2,3 0(55-103)* = 0,03
ГЭТ 103—77 0,01—1 174-196 нет 2,0 0,7 в(103-55) = -0,03
ГЭТ 131—81 5 • 10-2—1 • 104 1 •102-1 •106 0 - 5 • 106 3,0 0,5 в(55—131) = -02
ГЭТ 140—84 10—1 • 104 0,1-1 • 106 (1 - 250) • 106 1,0 0,5 в(55-140) = -(0,1...0,3)
* Цифры указывают номера сличаемых эталонов.
кой высшей точности УВТ 71-А—90 ВНИИФТРИ. Эти сличения подтверждали метрологические характеристики сличаемых эталонов (табл. 1): неисключенную систематическую погрешность (НСП) и среднее квадратическое отклонение (СКО).
Систематическое отклонение между сличаемыми эталонами вычисляли по формуле
в(' -' > = 201д (М' > / М(' >),
где М> — чувствительность применяемого для сличений гидрофона (приемника переменного давления), полученная на /-м эталоне.
К началу 90-х годов XX века метрологические характеристики первого поколения государственных специальных эталонов звукового давления в водной среде начали постепенно отставать от потребностей промышленности, и поэтому в 1991 году была завершена разработка нового государственного специального эталона звукового давления в водной среде ГЭТ 55—91, заменившего эталоны ГЭТ 55—74 и ГЭТ 103—77 и установку высшей точности ВНИИМ. Этот эталон состоял из четырех отдельных автоматизированных эталонных комплексов, обеспечивающих воспроизведение и передачу размера единицы звукового давления в водной среде в диапазоне 0,01 Гц — 1,0 МГц и реализующих независимые методы градуировки гидрофонов, рекомендованные МЭК [1].
Практически в это же время во ВНИИФТРИ была создана УВТ 71-А—90, предназначенная для исследования чувствительности гидрофонов при повышенном статическом давлении до 50 МПа в диапазоне частот 0,1—500 Гц. В установке был применен модифицированный метод взаимности в малой замкнутой камере.
В период 1993—1996 гг. во ВНИИФТРИ была завершена научно-исследовательская работа по проведению сличений образцовых и эталонных средств измерений в области гид-
роакустики. Она показала состояние метрологического обеспечения гидроакустических измерений в стране не только на уровне отдельных государственных эталонов, но и поверочных установок рабочих эталонов 2-го разряда, принадлежащих различным предприятиям. В рамках работы были проведены сличения всех действующих в стране государственных эталонов, воспроизводящих переменное давление в различных средах. Предварительно были оценены метрологические возможности отдельных независимых методов измерений [8], сличения которых показали достаточно высокие метрологические характеристики не только государственного специального эталона ГЭТ 55—91, но и введенного позже в действие вторичного эталона ВЭТ 55-1—96. Результаты внутри российских сличений государственных эталонов приведены в табл. 2.
С 1999 по 2005 гг. во ВНИИФТРИ проводилась научно-исследовательская работа, направленная на дальнейшее совершенствование государственного эталона с целью обеспечения расширяющихся потребностей промышленности, науки и обороны России, а также для поддержания эталона на уровне метрологических требований эталонов ведущих стран мира, таких как США, Великобритания и др.
В табл. 3 приведены технические и метрологические характеристики эталона звукового давления в водной среде в стадии их развития, начиная с установок, разработанных в 60-х годах XX века, и заканчивая характеристиками эталона, модернизацию которого планируется завершить уже в рамках отраслевой программы «Эталоны России».
Как следует из табл. 3, частотный диапазон эталона постепенно расширялся: в область низких частот почти в 500 раз (планируется дальнейшее расширение еще в десять раз), в область высоких частот в 10 раз , при этом НСП воспроизведения единицы звукового давления в водной среде была уменьшена в 4—6 раз.
Т а б л и ц а 2
Результаты сличений эталонов
Сличаемый эталон Систематическое отклонение между сличаемыми эталонами, дБ
ГЭТ 19—94 ГЭТ 55—94 ВЭТ 55-1—96 ГЭТ 131—81 ГЭТ 140—84 УВТ 71-А—90
ГЭТ 55—91 ± 0,15 — 0,0 . +0,2 ± 0,2 -0,15...+0,4 -0,16. 0,0 — —
ВЭТ 55-1—96 0,0...+0,6 0,1...+0,3 -0,2. 0,0 ± 0,2 -0,4...+0,15 — -0,3.-0,2 -0,3...+0,47 -0,2...+0,3
Т а б л и ц а 3
Технические и метрологические характеристики государственного специального эталона звукового давления в водной среде
в различные годы в соответствующем диапазоне частот
Характеристика До 1974 1974 1977 1991 2006
5 Гц — 0,1 МГц 1 Гц — 0,2 МГц 0,01 Гц — 0,2 МГц 0,01 Гц — 1МГц 0,001 Гц — 1 МГц
СКО, % — 1.2 до 3,15 кГц 2.3 до 200 кГц 0,7 до 1 Гц 1.2 до 3,15 кГц 2.3 до 200 кГц 1,0 до 200 кГц 2,0 до 1 МГц 0,5 до 200 кГц 2,0 до 1 МГц
НСП, % 12 5,9 до 3,15 кГц 7,2 до 200 кГц 2,0 до 1 Гц 6,2 до 3,15 кГц 7,2 до 200 кГц 3,0 до 200 кГц 6,0 до 1 МГц 2,0 до 1 кГц 2-3 до 200 кГц 3-6 до 1 МГц
Суммарная неопределенность, % — — — — 1,5 до 1 кГц 2,5 до 200 кГц 3,5-4 до 1 МГц
Суммарная расширенная неопределенность, % — — — — 3 до 1 кГц 5 до 200 кГц 7-8 до 1 МГц
В период с 1998 по 2004 гг. эталонные комплексы государственного ГЭТ 55—91 и вторичного эталонов ВЭТ 55-1—96 участвовали в сличениях национальных эталонов России (ВНИИФТРИ) и Китая (ХИПА): на первом этапе в диапазоне частот 2 Гц — 630 кГц [9,10], а затем и в диапазоне низких инфразвуковых частот 0,01—1,0 Гц [12].
Впоследствии государственный эталон ГЭТ 55—91 принял участие в проводимые под эгидой МБМВ ключевых сличениях установок, предназначенных для градуировки гидрофонов в условиях свободного поля в диапазоне частот 1—500 кГц CCAUV.W-K1 [12]. Эти сличения проходили в рамках программы по взаимному признанию национальных эталонов. Пилот-лабораторией, организующей и проводящей данные ключевые сличения, была лаборатория NPL Великобритании [12, 13].
Результаты этих ключевых сличений, подтвердили метрологические характеристики эталонных комплексов ГЭТ 55—91 и соответствие их на настоящий момент уровню лучших национальных эталонов в области гидроакустических измерений.
На рис. 1, а—в приведены систематические отклонения результатов градуировки трех измерительных гидрофонов на эталоне ГЭТ 55—91 от усредненных результатов градуировок этих же гидрофонов, получ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.